[实用新型]基于CMFTIR效应的光纤连续式液位传感系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于CMFTIR(cladding mode frustrated total internal reflection，包层模受抑全内反射)效应的光纤连续式液位传感系统。

背景技术

在化学化工生产领域，液体化工品的储藏，装卸，运输等过程中，液位的自动化检测是实现安全作业的重要保证。特别在危险化工品的运输途中，由于长途颠簸存在发生泄漏的风险，若不能有效实现液位精细变化的实时监测，就有可能导致险情扩大，甚至会危害人员生命安全。此外，某些化工液体易燃易爆，例如石油，酒精等，在液位测量中要求液位信号非电测量，以避免发生电火花燃爆事故。更加特殊的情况，例如抚顺石油二厂处在雷电多发区，电子仪表常常受到电磁干扰而无法正常工作。因此，采用光纤液位传感的方法，既有针对性的解决了实时自动化，非电测量，抗电磁干扰等问题，同时又能保证经济与实用，已经在某些企业获得实际的应用并且成为未来发展的趋势，具有广阔的发展空间和重要的社会经济价值。

目前，已有的光纤液位传感器主要分为本征和非本征两类。非本征型仅仅是利用光纤作为信号传输介质，传感实际上是通过外加的调制装置来实现，例如3EFL2I系列光纤液位变送器，采用的浮子与光码变送器。这一类传感器，常常带有浮子及复杂的机械运动机构，适宜于液面平稳静止条件下测量，难以满足在装卸，运输过程中液位连续变化下实时测量的需要。本征型是指利用光纤自身作为传感器。其中最成功的要数压强敏感式光纤液位传感器，其利用应变片来感受油箱底部的压强，并通过光纤来测量作用在应变片上的压强值，从而得到液位值。根据应变片形变感应方式的不同可将压强敏感式光纤液位传感器分为光强反射式，法布里珀罗式，微弯式、双折射式、布拉格光栅式、长周期光栅式等，但是由于运动过程中将产生的加速度及额外压强导致此类传感器不适用于装卸，运输，运动过程中的动态实时测量。此外，同样具有代表性的还有利用受抑全内反射原理实现的光纤液位探头，主要有两种实现途径，一是在单根光纤的端面通过技术处理(抛光或电火花拉伸)获得90°全内反射斜面，光从光纤一端输入经全内反射后沿原光路返回；二是利用棱镜打磨出90°反射斜面后，分别用两根光纤作为输入光纤和输出光纤。经过发展，这一类光纤探头已经获得了非常好的区分度，但往往加工难度较大，反射端面易受污染，更为重要的是，探头式的传感器仍然无法免于机械运动结构，无法应用于需要连续，实时，动态监测的场合。动态大量程光纤连续液位传感一直是领域内未被攻克的技术难题。1995年由意大利Cassino大学工业工程学院的Betta在发表于《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》杂志上的文献《A digital level transducer based on optical fiber》中提出基于渐逝场光泄漏的光纤液位传感器，可实现25mm的连续液位分辨率。Betta通过化学腐蚀的方法去除光纤的部分包层，由于该方法需要对包层厚度进行精确控制，增加了制造的难度，并且由于光纤原有的包层结构遭到破坏，使得该传感器的鲁棒性变差。2013年美国北达科他州立大学和密苏里大学的Ying Huang和Baokai Chen等在《MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY》杂志上发表的文章《Simultaneous detection of liquid level and refractive index with a long-period fiber grating based sensor device》中提出利用长周期光纤光栅制作了连续液位传感器，实现了液位分辨率误差小于1mm，测量范围达到了30mm。该传感器虽然实现了连续液位传感器及较高的分辨率，但量程过小，且制作成本过高，检测仪器复杂昂贵。

实用新型内容

本实用新型的实施例提供一种基于CMFTIR效应的光纤连续式液位传感系统，传感器量程大，分辨率高，鲁棒性好，且结构简单易行。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

一种基于CMFTIR效应的光纤连续式液位传感系统，包括：LED光源，第一光功率计，第二光功率计以及光纤液位传感器；

其中，所述光纤液位传感器包括尼龙棒，有源光纤和无源光纤，所述有源光纤和所述无源光纤的中间部分相互紧密贴合后螺旋缠绕在所述尼龙棒上形成连续宏弯耦合结构，除中间部分外的光纤均套有黑色热缩管；